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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Testen einer Elektronikeinheit,
insbesondere einer Elektronikeinheit einer Vorrichtung zur Bestimmung
und/oder Überwachung
einer Prozessgröße, wobei
die Elektronikeinheit eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen aufweist.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße, mit
mindestens einem Sensorelement, und mit mindestens einer Elektronikeinheit,
wobei die Elektronikeinheit eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen
beinhaltet.
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In
der Prozessautomatisierungstechnik werden vielfach Messgeräte eingesetzt,
die zur Erfassung bzw. zur Überwachung
von unterschiedlichen Mess- oder Prozessgrößen dienen. Die Messgeräte bestehen
dabei üblicherweise
aus einem Sensorelement, welches ein Messsignal erzeugt, welches
von der Prozessgröße oder
einer Änderung
der Prozessgröße abhängig ist,
und einer Elektronikeinheit. Unter der Elektronikeinheit eines Messgerätes oder
einer entsprechenden Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
einer Prozessgröße seien dabei
im Folgenden alle die Bestandteile verstanden, welche an der Ansteuerung
des Sensorelements und/oder an der Verarbeitung der Messsignale
beteiligt sind, d.h. die Elektronikeinheit umfasst sowohl die Ansteuerelektronik,
als auch den Messumformer. Als Beispiele sind für die Prozessgrößen zu nennen
Füllstand,
Viskosität,
Dichte, Differenzdruck, Druck, Durchfluss, Massendurchfluss, Temperatur,
pH-Wert, Redoxpotential oder Sauerstoffgehalt.
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In
der Elektronikeinheit befinden sich dabei beispielsweise die für die Signalaufbereitung
benötigten
Schaltungen, welche meist aus analogen Bauteilen auf einer Leiterkarte
bestehen.
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Bei
der Fertigung einer solchen Elektronikeinheit sind Bestückungsfehler
nicht auszuschließen.
Wobei es die Möglichkeiten
gibt, dass ein falsches Bauteil bei der Bestückung verwendet wurde, dass
das Bauteil fehlt, dass das Bauteil in einer falschen Lage eingebaut
wurde, dass eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss vorliegt oder
dass eine kalte Lötstelle
erzeugt wurde. Um diese Fehler auszuschließen, werden üblicherweise
bei der Fertigung die bestückten
Leiterplatten an sog. Prüfpunkten ausgemessen.
Je nach der Komplexität
der Schaltungen kann dabei eine sehr hohe Anzahl von Prüfpunkten
vorgesehen sein. Diese Prüfpunkte
haben zum einen den Nachteil, dass sie den auf der Leiterplatte
zur Verfügung
stehenden Platz verringern und zum anderen ist das Auslesen einer
solchen Vielzahl von Testsignalen aufwendig und somit kostenintensiv.
Eine weitere Problematik von einer Reihe von Bauteilen besteht darin,
dass sie mit der Zeit oder aufgrund extremer Betriebs- und Prozessbedingungen
(z.B. Temperatursprünge
oder sehr extreme Temperaturen) beschleunigt altern und somit ggf. ausfallen.
Aus diesem Grund sind regelmäßige Überprüfungen vorgesehen,
welche sich im Sinne der vorausschauenden Instandhaltung (Predictive
Maintenance) optimieren lassen.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, die Kontrolle von Bauteilen
zu vereinfachen. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Messgerät anzugeben,
welches über
die Möglichkeit
der vorausschauenden Instandhaltung für seine Bauteile verfügt.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe mit einem Verfahren zum Testen einer Elektronikeinheit,
wobei die Elektronikeinheit eine Vielzahl von elektrischen Bauteilen
aufweist, wobei zumindest ein Teil der elektrischen Bauteile in
mindestens eine Gruppe zusammengefasst wird, wobei die Gruppe mit
einem Abfragesignal beaufschlagt wird, wobei ein Antwortsignal der
Gruppe empfangen wird, und wobei das Antwortsignal ausgewertet wird.
Die Gruppe der Bauteile weist dabei zumindest zwei Bauteile auf.
In einer weiteren Ausgestaltung handelt es sich zumindest um zwei
Gruppen. Vorteilhafterweise befindet sich überdies, in dem Fall, dass
es sich nur um zwei Bauteile handelt, kein weiteres Bauteil zwischen
diesen beiden Bauteilen, d.h. sie sind direkt miteinander verbunden.
Alternativ wird für
den Test eine passende Verbindung hergestellt, um die Gruppe passend
ausmessen zu können.
Die Anzahl der Bauteile hängt von
der Art der Gruppenbildung ab. Für
den Test wird ein beliebiges Abfragesignal als Stimulus auf die Gruppe
bzw. auf die Gruppen, wenn mehrere generiert worden sind, gegeben.
Von der Gruppe wird dann ein Antwortsignal empfangen oder gemessen. Hierbei
handelt es sich beispielsweise um eine Sprungantwort. Je nach Ausgestaltung
der Elektronikeinheit werden mehrere Gruppen gebildet, wobei ggf.
einzelne Bauteile zu mehr als einer Gruppe gehören. Dabei wird dann jeweils über die
einzelnen Gruppen das Antwortsignal gemessen und passend ausgewertet.
Das Verfahren findet dabei Anwendung bei der Fertigung der Elektronikeinheit
bzw. des Messgerätes
oder beim in der Anwendung befindlichen Gerät als Teil der Überwachung
bzw. als Teil des Predictive Maintenance. Das Verfahren hat somit den
Vorteil, dass die Wartungsintervalle am Bedarf ausgerichtet werden.
Weiterhin lässt
sich somit auch die Verfügbarkeit
der Prozessanlage erhöhen.
Das Testen der Elektronikeinheit erfolgt dabei entweder zeitgleich
mit den eigentlichen Aufgaben der Elektronikeinheit oder in besonderen
Testphasen. Die Elektronikeinheit ist dabei in einer Ausgestaltung
ein Bestandteil eines Messgerätes
der Prozess- und Automatisierungstechnik. Die Funktion der Elektronikeinheit
ist dann in dieser Ausgestaltung die Durchführung der Messung.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass das Antwortsignal mit einem Sollwert verglichen
wird. Für
die Schaltung bzw. für
die spezielle Gruppe wird hierfür
ein Sollwert ggf. mit einem Toleranzband hinterlegt. Weicht der
gemessene Wert von diesem Sollwert ab, so wird dies beispielsweise
als Alarm angezeigt oder aus dem Grad der Abweichung wird eine Aussage über die
zukünftige
Entwicklung getroffen, d.h. es wird z.B. eine vom Benutzer einstellbare
Warnung erzeugt.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass aus dem Vergleich des Antwortsignals mit dem Sollwert
eine Voraussage auf das zukünftige
Verhalten der Bauteile der Gruppe, von welcher das Antwortsignal
empfangen wurde, getätigt
wird. In dieser Ausgestaltung wird also ganz konkret der gemessen
Wert zur Voraussage über
die zu erwartende Entwicklung der Bauteile der jeweiligen Gruppe
verwendet. In einer Ausgestaltung wird zu mindestens zwei Zeitpunkten
das Test-Verfahren durchgeführt
und die gemessenen bzw. empfangenen Antwortsignale werden in einem
Speicher als Historiendaten hinterlegt. Aus dem zeitlichen Verhalten
bzw. aus der zeitlichen Entwicklung wird berechnet, wann ein Austauschen
der Gruppe ggf. erforderlich ist oder wann eine detaillierte Untersuchung
der Elektronikeinheit bzw. des Messgerätes erforderlich sein wird.
Hierfür
sind entsprechende Algorithmen und Daten zu hinterlegen. Der Sollwert
ergibt sich somit aus einem in einer vorhergehenden Testphase gemessenen
Antwortsignal.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass aus dem Vergleich des Antwortsignals mit dem Sollwert
eine Voraussage über
die zu erwartende Lebenszeit der Bauteile der Gruppe, von welcher
das Antwortsignal empfangen wurde, ermittelt wird.
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Eine
Ausgestaltung beinhaltet, dass der Spannungsabfall über die
Gruppe gemessen wird, und dass der gemessene Spannungsabfall ausgewertet
wird. In dieser Ausgestaltung ist somit das Antwortsignal ein Spannungsabfall.
Für dieses
spezielle Antwortsignal gelten entsprechend auch die vorgenannten
Verfahrensschritte der Auswertung. Der Spannungsabfall wird dabei
entweder direkt gemessen oder ein ggf. auftretender Stromfluss wird
passend umgewandelt. Die Messung des Spannungsabfalls ist deshalb
vorteilhaft, weil so beispielsweise ein Analog-Digital-Wandler verwendet
werden kann, um die Messdaten ggf. auch von einem Mikroprozessor auswerten
zu lassen.
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Die
folgenden Ausgestaltungen befassen sich mit der Art der Gruppierung
der Bauteile.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass die Gruppe gemäß der Ausfallrate
der Bauteile gebildet wird. Für
eine Vielzahl von Bauteilen (Widerstände, Kondensatoren, Operationsverstärker, Prozessoren
usw.) gibt es Daten bzgl. der Lebensdauer. D.h. ausgehend von einer Schaltung
der Elektronikeinheit lassen sich in Verbindung mit den zugehörigen Daten,
die beispielsweise in einer Datenbank (als Beispiele zu nennen sind
hier Datenbanken von Siemens, British Telecom, Military Handbook
MIL-HDBK-217) hinterlegt sind, die Bauteile identifizieren, die
eine höhere
Ausfallrate aufweisen. Um diese Bauteile herum werden dann die Gruppen
gebildet.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Gruppe gemäß der Funktion
der Bauteile in der Elektronikeinheit gebildet wird. Es wird also
beispielsweise unterschieden zwischen den Bereichen Vorverstärkung, Signalfilterung,
Phasenverschiebung, Signalumsetzung für Buskommunikation usw. Jeder
dieser funktionellen Einheiten wird dann in eine eigene Gruppe zugeordnet.
Oder umgekehrt: Die Bauteile der einzelnen Gruppen unterscheiden
sich in Hinsicht auf ihre funktionellen Aufgaben innerhalb der Elektronikeinheit, ihre
Lebensdauern oder ihren Einfluss auf das Antwortsignal als Reaktion
der Gruppe auf das Abfragesignal. Insbesondere die funktionelle
Gruppierung ist aufgrund des Schaltungsplanes möglich. Die Gruppierungen können dabei
in Abhängigkeit,
ob das erfindungsgemäße Testverfahren
bei der Fertigung oder im Rahmen der vorausschauenden Instandhaltung
Anwendung findet, gleich oder unterschiedlich sein. Bei der Fertigung
können
die Gruppierungen beispielsweise über solche Bauteile erfolgen,
bei welchen es zu einer falschen Einbauposition kommen kann (z.B.
Dioden).
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
beinhaltet, dass mindestens die Messung des Spannungsabfalls mit
mindestens einem Analog-Digital-Wandler erfolgt, welcher in Bezug
auf die Funktion der Elektronikeinheit ungenutzt ist. Der Analog-Digital-Wandler
ist in einer Ausgestaltung ein Bestandteil eines Mikroprozessors,
welcher in der Elektronikeinheit angeordnet ist. Ist die Elektronikeinheit
beispielsweise ein Bestandteil eines Messgerätes, so besteht die Funktion
in der Durchführung
der Messung.
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Eine
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens
sieht vor, dass die Gruppe derartig modifiziert und/oder erweitert
wird, dass eine Änderung mindestens
eines Bauteiles der Gruppe zu einer Änderung des von der Gruppe
empfangbaren Antwortsignals führt.
Die Ausgestaltung besteht somit darin, dass die Gruppe ggf. durch
das Hinzunehmen für
diesen Zweck vorhandenen zusätzlichen
Bauteilen derartig geändert
oder erweitert wird, dass beispielsweise ein Alterungsprozess eines
Bauteils auch zu einer Änderung
des Antwortsignals führt.
D.h. die Änderung
eines Bauteils oder der Bauteile wird in den Bereich der Messbarkeit
durch das Antwortsignal überführt. Diese
Ausgestaltung bezieht sich insbesondere auf die Messung des Spannungsabfalls
als Antwortsignal.
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Die
Erfindung löst
die Aufgabe weiterhin durch eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung
mindestens einer Prozessgröße, mit mindestens
einem Sensorelement, und mit mindestens einer Elektronikeinheit,
wobei die Elektronikeinheit mindestens eine Vielzahl von elektrischen
Bauteilen beinhaltet, wobei mindestens eine Steuereinheit vorgesehen
ist, welche derartig ausgestaltet ist, dass die Steuereinheit mindestens
eine Gruppe mindestens eines Teiles der Bauteile mit einem Abfragesignal
beaufschlagt, dass die Steuereinheit von der Gruppe ein Antwortsignal
empfängt,
und dass die Steuereinheit das Antwortsignal in Hinsicht auf Veränderungen
der Bauteile der Gruppe auswertet. Im erfindungsgemäßen Messgerät wird somit
aus einem Teil der Bauteile der Elektronikeinheit eine Gruppe gebildet.
Vorzugsweise sind mindestens zwei Gruppen gebildet und jede Gruppe
besteht zumindest aus zwei Bauteilen. Die Gruppe besteht beispielsweise aus
besonders alterungsanfälligen
Bauteilen, aus besonders wichtigen Bauteilen oder aus möglichst
vielen Bauteilen. Einzelne Varianten zur Gewinnung dieser Gruppen
sind oben beim erfindungsgemäßen Verfahren
beschrieben und können
beim erfindungsgemäßen Messgerät ebenfalls
Verwendung finden. Von der Gruppe der Bauteile wird nach einer Beaufschlagung
mit einem Abfragesignal ein Antwortsignal gemessen und in Hinsicht
auf Alterungserscheinungen oder andere Veränderungen der Bauteile dieser Gruppe
auswertet, indem z.B. der gemessene Wert mit hinterlegten Daten
verglichen wird. In einer Ausgestaltung ist die Elektronikeinheit
derartig ausgestaltet, dass sie das Sensorelement mit einem Anregungssignal
beaufschlagt, vom Sensorelement ein Messsignal empfängt und
das Messsignal verarbeitet, z.B. in Hinsicht auf die Prozessgröße auswertet. In
einer Ausgestaltung handelt es sich bei der Steuereinheit um einen
Mikroprozessor, welcher derartig ausgestaltet ist, dass der Mikroprozessor
den Spannungsabfall über
mindestens eine Gruppe mindestens eines Teiles der Bauteile in Hinsicht
auf Veränderungen
der Bauteile der Gruppe auswertet. Das Antwortsignal ist also in
diesem Fall ein Spannungsabfall.
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Eine
Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sieht vor, dass mindestens ein Analog-Digital-Wandler vorgesehen
ist, welcher frei von den Messaufgaben ist und über welchen die Steuereinheit
das Antwortsignal aufnimmt. Handelt es sich bei der Steuereinheit
um einen Mikroprozessor, so ist in einer Ausgestaltung der Analog-Digital-Wandler ein
Bestandteil des Mikroprozessors. Der Analog-Digital-Wandler ist
in dieser Ausgestaltung speziell für das Testverfahren vorgesehen.
In einer alternativen Ausgestaltung dient der Analog-Digital-Wandler
auch der eigentlichen Messung der Prozessgröße.
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Die
Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert. Es
zeigt:
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1:
eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
und
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2:
eine schematische Darstellung einer Verwendung eines erfindungsgemäßen Messgerätes in einer
Prozessanlage.
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In
der 1 ist schematisch ein kapazitives Messgerät dargestellt.
Das Sensorelement 1 ist dabei ein Stab, welcher mit einer
elektrischen Wechselspannung als Anregungssignal von der Elektronikeinheit 2 beaufschlagt
wird. Das Sensorelement 1 und eine zweite – hier nicht
dargestellte – Sonde
oder die – hier
ebenfalls nicht gezeigte – Wandung
eines Behälters
bilden mit einem Medium, dessen Füllstand beispielsweise gemessen
werden soll, als Dielektrikum einen Kondensator, dessen Kapazität ein Maß für den Füllstand
des Mediums ist.
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In
der Elektronikeinheit 2 befindet sich eine Vielzahl von
Bauteilen, deren Eigenschaften (z.B. bei der Fertigung) oder deren
Veränderung
mit der Zeit es zu testen gilt. Erfindungsgemäß sind die Bauteile zu einzelnen
Gruppen 5 zusammengefasst. Die Gruppen 5 beziehen
sich dabei auf lokal benachbarte Bauteile oder auf entfernt, z.B.
auf einer Platine oder Leiterplatte angebrachte Bauteile, die für die Gruppenbildung
und ggf. auch nur für
die Testphasen passend elektrisch miteinander zu verbinden sind.
Die Gruppen umfassen dabei beispielsweise vorgegebenen Prüfpunkte,
welche sensitiv auf die Änderungen einer
Vielzahl von Bauteilen sind, oder auf Bauteile, welche besonders
alterungsanfällig
(deren im Mittel zu erwartender Ausfallszeitpunkt beispielsweise
kleiner ist als die ggf. vorgeschriebenen Wartungsintervalle) sind
oder auf funktionelle Einheiten innerhalb der Elektronikeinheit
oder auf die Kombination von Bauteilen, die so zusammenwirken, dass
eine Veränderung
der Eigenschaft eines Bauteiles zu einer Änderung des Spannungsabfalls
(dies hier als Beispiel für
das Antwortsignal) über
diese Gruppe 5 führt.
Ggf. werden die Gruppen auch durch zusätzliche Bauteile ergänzt, die
insbesondere dem Testen dienen und die es erlauben, eine Veränderung
eines Bauteils anhand des Spannungsabfalls zu erkennen. Dargestellt sind
auch zwei Schalter oder Trennelemente 7, welche für den Test
die einzelnen Bauteilegruppen 5 voneinander trennen, so
dass die Bauteile gesondert voneinander und abgekoppelt von den
für den
Messbetrieb erforderlichen Verbindungen getestet werden. D.h. im
normalen Messbetrieb sind diese Trennelemente oder Schalter 7 geschlossen.
Weiterhin sind in einer weiteren Ausgestaltung innerhalb der Gruppen 5 Schalter
vorhanden, welche für
das Testen geschlossen werden.
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Besonders
alterungsanfällige
Bauteile sind beispielsweise:
Elektrolytkondensatoren (Elkos),
Optokoppler, Leistungstransistoren oder Halbleitersensoren. Über diese
Gruppen 5 wird jeweils der Spannungsabfall gemessen, welcher über einen
Analog-Digital-Wandler 4 vom Mikroprozessor verarbeitet
wird. In einer weiteren Ausgestaltung ist der Analog-Digital-Wandler 4 mit
einem Multiplexer verbunden, so dass diesem Wandler die Spannungssignale
der einzelnen Gruppen zugeführt
werden. Hierfür
wird ggf. auch ein spezielles Testsignal an die Gruppen 5 angelegt,
um ggf. auch spezielle Messungen durchführen zu können. Die Spannungsabfälle über die
einzelnen Gruppen 5 werden dann in dem Mikroprozessor 6,
bei welchem es sich in diesem Beispiel um die Steuereinheit 3 handelt,
passend ausgewertet, indem sie beispielsweise mit Sollwerten oder
mit bereits abgespeicherten Spannungsabfällen von vorhergehenden Testmessungen
verglichen werden. Tritt beispielsweise eine Abweichung größer als
ein vorgebbarer Toleranzbereich auf, so wird beispielsweise eine
Warnung oder ein Alarm ausgegeben. Gleichzeitig lässt sich
auch bei einem bekannten Verhalten der Gruppe 5 der Bauteile
ausgehend von den Messungen bestimmen, wann es mit hoher Wahrscheinlichkeit
zu einem Ausfall innerhalb der Bauteile der Gruppen kommen wird.
Somit lassen sich auch Wartungsintervalle an den konkreten Fall
anpassen und optimal vorgeben. Dabei werden Aussagen stets nur über die gesamte
Gruppe 5 getätigt.
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Das
hier in dem Messgerät
umgesetzte Verfahren besteht somit aus folgenden Schritten: Ausgehend
von den Bauteilen einer Elektronikeinheit, werden diese in Gruppen
zusammengefasst. Beispiele für
Gruppenbildungen sind: Gruppierungen von Bauteilen, welche zusammen
jeweils einer gemeinsamen Funktion innerhalb der Elektronikeinheit
dienen; Gruppierung von Bauteilen, welche aufgrund ihrer Eigenschaften
oder aufgrund der Umgebungs- oder Prozessbedingungen eine Ausfallwahrscheinlichkeit aufweisen,
welche innerhalb der Betriebszeit der Elektronikeinheit liegt; Gruppierung
von Bauteilen, wobei eine möglichst
große
Anzahl an Bauteilen derartig zusammengefasst wird, dass eine Veränderung eines
jeden Bauteils sich auf das Antwortsignal auswirkt. Jede Gruppe
wird für
den Test mit einem Abfragesignal beaufschlagt und ein Antwortsignal
wird gemessen. Dabei handelt es sich beispielsweise um den Spannungsabfall über die
jeweiligen Gruppen. Die Spannungsmessung oder die Messung des Antwortsignals
bzw. die Beaufschlagung mit dem Abfragesignal erfolgt dabei vorzugsweise
mit Bauteilen, die frei von der eigentlichen Funktion der Elektronikeinheit
sind, die also in dem Fall, dass die Elektronikeinheit ein Bestandteil
eines Messgerätes
ist, nicht für
die Messung an sich verwendet werden. Das gemessene Antwortsignal
bzw. der Spannungsabfall wird dann entsprechend z.B. mit einem Mikroprozessor
ausgewertet.
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In
der 2 ist dargestellt, in welchen Systemumgebungen
das erfindungsgemäße Verfahren umgesetzt
werden kann bzw. welche Steuereinheiten 3 mit dem erfindungsgemäßen Messgerät kommunizieren
können.
Das Messgerät
ist hier angedeutet, an einem Behälter befestigt und die Elektronikeinheit 2 befindet
sich außerhalb
des Prozesses. Die Elektronikeinheit 2 ist direkt mit einem
Anzeige- und Bedienmodul oder über
einen Datenbus, z.B. HART, Fieldbus-Foundation mit einem für den Feldbus
entsprechendes Bediengerät
bzw. über
eine Kommunikationseinheit mit einem Laptop als Teil einer Steueranlage
verbunden. Über
diese Beispiele von Steuereinheiten 3 wird der Test über die
einzelnen Gruppen durchgeführt
und werden beispielsweise entsprechend die Wartungsintervalle festgesetzt.
Es gibt also die Möglichkeiten,
dass die Steuereinheit 3 ein Teil des Messgerätes ist
und vor Ort die Tests durchführt
oder es gibt eine übergeordnete
Einheit, welche für
den Testfall zugeschaltet wird, welche beispielsweise direkt auf
das Messgerät
einwirkt oder welche passende Software in das Gerät lädt, damit
dort der Test durchgeführt
werden kann.
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- 1
- Sensorelement
- 2
- Elektronikeinheit
- 3
- Steuereinheit
- 4
- Analog-Digital-Wandler
- 5
- Gruppe
von Bauteilen
- 6
- Mikroprozessor
- 7
- Trennelement